Brandstof voor de toekomst

Bij CMB, een gediversifieerde scheepvaart- en logistiek groep met hoofdzetel in Antwerpen, kopen we al geverifieerde koolstofkredieten om ons koolstofverbruik te compenseren, te beginnen in 2020, maar onze visie is om een echte nul-koolstof organisatie te worden. De Technologies divisie van CMB in het Verenigd Koninkrijk staat voor de uitdaging om de technologie te ontwikkelen en te stimuleren die nodig is om dit doel te bereiken.
Als scheepvaartbedrijf hebben we de beschikbare koolstof vrije opties bestudeerd: batterijsystemen, vloeibaar of gecomprimeerd aardgas (LNG/CNG), biobrandstoffen, synthetische brandstoffen, ammoniak en waterstof.

Accu's zijn door sommigen genoemd als een mogelijke oplossing. Het vermogen dat nodig is om zelfs betrekkelijk kleine schepen voort te bewegen is echter aanzienlijk, en de omvang van de batterij en de benodigde oplaadtijd betekent dat batterijaandrijving beperkt zal blijven tot betrekkelijk korte reizen met lage snelheid en lange omlooptijden, zoals op eilanden gelegen RORO-veerboten van het type dat reeds in Noorwegen in bedrijf is.

Wij hebben een aantal LNG-klare schepen; LNG is echter een brandstof op koolstofbasis. Hoewel het een lagere koolstof/waterstofverhouding heeft dan diesel, vermindert het de broeikasgas voetafdruk met slechts een kleine hoeveelheid, waarvan is aangetoond dat die grotendeels wordt gecompenseerd door "methaan slip"-emissies en lekkage. Toch biedt LNG op korte termijn een uitstekende winst vanuit het oogpunt van de luchtkwaliteit, met lagere NOx- en roetemissies; maar de bijdrage van broeikasgassen varieert van bescheiden tot aanzienlijk slechter dan diesel. Wij zien LNG niet als een langetermijnoplossing voor het probleem van de opwarming van de aarde.

Biobrandstoffen zijn interessant, koolstofarm en duurzaam; maar door de bezorgdheid over de grondstoffen en het landgebruik kunnen zij geen belangrijke concurrent worden op de markt voor scheepsbrandstoffen, zelfs niet met hun "drop-in"-verdienste (zij kunnen worden gebruikt zonder enige wijziging aan de motoren die zij aandrijven). Biobrandstoffen zullen waardevol zijn, vooral in de luchtvaartindustrie, waar momenteel geen andere technologie bruikbaar is, maar zij zijn niet de oplossing in de scheepvaart.

Evenals biobrandstoffen zijn synthetische brandstoffen "drop-in"-brandstoffen, met een technologie die wordt begrepen. Voor de ontwikkeling van synthetische brandstoffen zijn echter twee sleutelelementen nodig: waterstof en koolstof. Waterstof is het sleutelelement dat wordt gedragen door de koolstof in een koolwaterstof brandstof zoals methanol of synthetische diesel, en het is relatief gemakkelijk te produceren, aangezien het kan worden gescheiden van water. Koolstof moet echter worden gewonnen uit kooldioxide in de atmosfeer, waarvan de relatief lage concentratie het moeilijk maakt om het op de vereiste schaal te winnen. Zouden we, gezien de hoge energiebehoeften in alle fasen van de fabricage, niet gewoon moeten pauzeren en de in de eerste fase geproduceerde waterstof gebruiken?

Ammoniak is een drager van waterstof, zoals synthetische brandstoffen, maar het is niet zo eenvoudig te gebruiken. Het brandt niet uit zichzelf; er is diesel of een andere katalysator brandstof voor nodig. Bovendien geeft ammoniak, net als methanol, aanleiding tot milieu- en veiligheidsproblemen en moet er voorzichtig mee worden omgegaan; maar het lost wel het probleem van de waterstofopslag op. Het maakt ook gebruik van met lucht geëxtraheerde stikstof, die veel gemakkelijker in volume te produceren is dan kooldioxide.

Dit element is het meest overvloedige op onze planeet en een element dat wij nooit kunnen vernietigen. Wanneer we waterstof gebruiken, veranderen we alleen de manier waarop het wordt opgeslagen. Als we waterstof met zuurstof verbranden, krijgen we water, H2O, dat vervolgens door elektrolyse weer in waterstof kan worden omgezet. Bij elke verandering van toestand gaat energie verloren, dus er is hier geen magische optie, en we zullen een elektrische inputbron nodig hebben voor de waterstofproductie. Het belangrijkste en waarschijnlijk enige nadeel van waterstof is de opslag ervan: vergeleken met alle andere brandstoffen heeft het veel ruimte nodig, en ruimte kan kostbaar zijn.

Aangezien de drie meest veelbelovende brandstofopties voortkomen uit waterstof, is het waterstof dat wij als grondstof moeten produceren. Waterstof is dus het antwoord. Hoe gebruiken we het?

Het is belangrijk voor CMB om ervoor te zorgen dat we de technologieën gefaseerd ontwikkelen en dat de juiste technologie op de juiste plaats wordt gebruikt.

Wij zijn de reis naar nulemissie begonnen met de ontwikkeling van dual-fuel motoren op waterstof: een dieselmotor die op waterstof werkt wanneer die beschikbaar is, en overschakelt op diesel wanneer de waterstofvoorraad schaars is. De technologie werd eerst toegepast op een reeks wegvoertuigen, gaande van kleine bestelwagens tot grote 60-tons wegtreinen. Toen de technologie eenmaal was uitgerijpt, hebben we haar toegepast op ons eerste zeeschip, de Hydroville. De uitdaging voor de Hydroville was niet de motor, maar de opslag van de waterstof. En ook hier was het relatief eenvoudig om de opslagcapaciteit te ontwikkelen zodat het schip een volledige werkdag kon werken zonder te bunkeren. De echte uitdaging bestond erin een sceptische industrie te overtuigen van de verdiensten van waterstof, met inbegrip van de inherente veiligheidseigenschappen, ondanks de bezorgdheid in dit verband.

De Hydroville stelde ons in staat de industrie uit te dagen en nieuwe maatstaven voor waterstof te stellen. De industrie daagde ons terug uit, en door dit proces kregen we een beter inzicht in hoe we de inherente eigenschappen van het gas kunnen gebruiken om het een van de veiligste brandstoffen te maken die op zee kunnen worden gebruikt. Wat de veiligheid betreft, zijn de drie dingen waarop men zich bij waterstof moet concentreren: ventilatie, ventilatie en ventilatie. Het natuurlijke drijfvermogen van het gas doet de rest.

Vanuit de Hydroville ontwikkelen wij nu de Hydrocat, de HydroBingo (een passagiersveerboot voor Japan) en de Hydrotug.
Deze projecten schalen het concept op via verschillende motorafmetingen, culminerend in motoren die 2,7MW kunnen produceren.

Deze schepen maken gebruik van waterstofgassystemen met een opslagdruk van 350 bar (700 bar, een beschikbare norm uit de automobielsector, is momenteel prijstechnisch onhaalbaar voor schepen). De schepen hebben echter ook diesel nodig, dus zijn ze niet koolstofvrij. De koolstofreductie is gebaseerd op de verhouding waterstof/diesel, die kan variëren van 50 tot 80 procent, afhankelijk van de toepassing. Deze oplossing is uitstekend terwijl we een consumptievraag opbouwen die het mogelijk maakt de infrastructuur voor tanken en bunkeren te ontwikkelen.

Wij werken reeds aan de volgende generatie motoren, die uitsluitend op waterstof zullen werken, maar deze kunnen pas worden ingevoerd als de infrastructuur is uitgerijpt. Er is een stapsgewijze aanpak nodig. Ook deze ontwikkelingen worden geleid door toepassingen aan land: in de eerste plaats mobiele stroomopwekking, waarmee wij de technologie kunnen ontwikkelen alvorens deze op zee in te zetten. Ons eerste werk heeft aangetoond dat zuivere waterstofmotoren op bijna elke grootte kunnen draaien, zonder enige uitstoot van de motor. Door gebruik te maken van de inherente eigenschappen van waterstof kunnen wij motoren ontwikkelen die geen NOx- of koolstofemissies hebben, waardoor de noodzaak van selectieve katalytische reductie of roetfiltertechnologieën volledig wordt vermeden.

Maar zelfs met deze twee grote stappen voorwaarts in waterstofaandrijving is opslag nog steeds de factor die het gebruik ervan beperkt. De korte vaart en de binnenvaart zijn ideale contexten voor gasvormige waterstof, de gemakkelijkste en veiligste vorm van waterstofaandrijving. Voor de diepzeevaart is echter iets anders nodig - nog steeds op waterstof gebaseerd, maar met een andere drager. De voornaamste kandidaat is ammoniak - ja, het heeft zijn uitdagingen, maar het kan tegen een realistische kostprijs worden gemaakt en als scheepvaartindustrie weten we hoe we ermee moeten omgaan. De volgende kandidaat, vlak daarachter, is cryogene waterstof.

Laten we eerst naar ammoniak kijken. Ammoniak moet onder -10°C worden gehouden om ervoor te zorgen dat het vloeibaar blijft. Geen probleem; dit doen we al met LNG, en de chemische vloten hebben al geschikte veiligheidssystemen ontwikkeld. Maar ammoniak heeft een andere energiebron nodig om verbranding tot stand te brengen, en net als bij de waterstofoplossingen voor de korte vaart kunnen we diesel gebruiken als katalysator. Wij kunnen ook de systemen verder ontwikkelen om het kraken van de ammoniak terug tot waterstof mogelijk te maken, zodat voldoende waterstof wordt gegenereerd om de katalysatorbrandstof te vormen. Op die manier zijn ook zuivere ammoniakmotoren mogelijk.

Vloeibare waterstof is ook een mogelijkheid. Het is al eerder geprobeerd in toepassingen op de weg, maar de boil-off leidde ertoe dat het werd opgegeven. Scheepsmotoren stoppen echter bijna nooit, en we kunnen de boil-off beheren om het gas te leveren dat nodig is voor de verbranding. Ook hier geldt dat dual fuel- of monofuelwaterstofmotoren relatief gemakkelijk te ontwikkelen zijn op basis van de huidige tweetaktmotoren. De extreme cryogene aard van vloeibare waterstof brengt echter uitdagingen met zich op het gebied van ontwerp, opslag, bunkering en veiligheid, die de toepassingen ervan kunnen beperken.

We beschikken over de technologie om de overgang naar een koolstofvrije scheepvaart te maken; en als de wil er is, kan en moet het VK zo snel mogelijk naar een emissievrije scheepvaart overstappen. Om de IMO-doelstelling voor 2050 te halen, moet een groot deel van onze vloot de koolstofuitstoot tegen 2030 met 50% hebben verminderd, en moeten alle nieuwe schepen tegen 2040 koolstofvrij zijn.
Als sector beschikken we over de technologie. Laten we dus niet wachten - waterstof is het antwoord!

Paul Turner, een ontwikkelingsingenieur met meer dan 35 jaar ervaring in de automobielsector voor hij in de scheepvaart begon te werken, is een leider in de ontwikkeling van waterstof als koolstofarme brandstof, zowel in brandstofcellen als in waterstofverbranding.

U kunt het oorspronkelijke artikel, dat in de 2020 uitgave van The Maritime Foundation Magazine stond, hier lezen.
The Maritime Foundation bevordert de bewustwording van de afhankelijkheid van het Verenigd Koninkrijk van de zee en van zeevarenden, wekt belangstelling voor maritieme zaken en brengt maritieme kennis en vaardigheden onder de aandacht van jongeren.